Почему речь может идти только о высоких скоростях? Да очень просто. Ведь именно скорость — это, фигурально выражаясь, та перчатка, которую авиация бросила железным дорогам. Конечно, догнать реактивные самолеты по скорости никакие поезда не смогут. Но сделать путешествие на не слишком большое расстояние быстрым, приятным, неутомительным — вполне смогут. Созданное при министерстве транспорта специальное управление сверхскоростного движения заключило с Массачусетским политехническим институтом контракт на исследовательские работы по сверхскоростному транспорту.
Эскизный проект подвижного состава, предложенный фирмой «Бадд», предусматривал максимальную скорость движения поездов 200 км/ч и среднюю — 145 км/ч. Время в пути вместо нынешних 8,5 ч должно было бы составить 5 ч. Этого показалось мало, проектную скорость увеличили до 320 км/ч, а время в пути уменьшилось до 4 ч (с четырьмя остановками). С осени 1967 г. между Бостоном и Нью-Йорком совершают регулярные рейсы поезда о газотурбинным локомотивом. Их скорость 256 км/ч. Вскоре такие же поезда будут ходить между Нью-Йорком и Вашингтоном. Газотурбинные поезда предполагается ввести в Канаде на линии Монреаль — Торонто. Расстояние 539 км они будут проходить за 4 ч.
Пожалуй, наиболее типичным примером современной скоростной магистрали является линия Осака — Токио. Она соединяет два крупных города Японии. Здесь, в этом районе, находится около трех четвертей промышленных предприятий страны и живет почти половина ее населения — 40 млн. человек. Еще в 90-х годах прошлого века эти города были соединены двухпутной линией с шириной колеи 1067 мм. Она составляла (в начале 60-х годов нашего века) всего 3 % (556,4 км) от общей длины железных дорог Японии. Но зато четверть грузовых перевозок страны приходилась на долю Токайдо (так называлась эта линия). 150 пар грузовых и пассажирских поездов каждый день — и все равно места в вагонах брались с бою. Сначала решено было построить автостраду Осака — Токио, но потом увидели, что только этим обойтись нельзя.
В 1959 г. началось сооружение новой скоростной двухпутной электрифицированной магистрали по тому же маршруту. Она несколько короче старой — ее длина 515,3 км и имеет стандартную колею. Новая дорога была открыта 1 октября 1964 г. — как раз к Олимпиаде в Токио. Двенадцативагонные супер-экспрессы преодолевают расстояние 515 км за 3 ч; обычные экспрессы на той же линии — за 4 ч. 80 рейсов в сутки — этого вполне достаточно для того, чтобы совершенно разгрузить от пассажиров старую линию. Теперь по ней ходят только грузовые и пригородные поезда.
Железная дорога приняла вызов авиации — с тех пор, как линия Новая Токайдо введена в действие, авиалиния Осака — Токио сразу же потеряла больше чем 20 % пассажиров. 13 июля 1967 г. на линии Новая Токайдо зарегистрирован стомиллионный пассажир. Уже разработан проект строительства сверхскоростных магистралей, связывающих Токио с другими городами Японии. Их общая протяженность 4000 км, а поезда будут ходить со скоростью 250 км/ч. Открыть движение на этих линиях намечено к 1985 г.
Рис. 3. Так выглядит скоростная дорога «Новая Токайдо».
Стараются не отстать и французы. С лета 1967 г. между Парижем и Тулузой курсирует поезд, максимальная скорость которого достигает 200 км/ч. За месяц скоростной поезд перевозит на 35 % больше пассажиров, чем старый, курсировавший по той же линии. В ближайшем времени точно такой же поезд должен выйти на линию Париж — Лион. По скоростным грузовым перевозкам Франция стоит на одном из ведущих мест в мире. Еще в 1962 г. поезд, перевозящий фрукты и овощи в Париж, мчал свой нежный товар со скоростью 120 км/ч. С лета 1967 г. между Парижем и Марселем открыто скоростное движение грузовых поездов. Расстояние в 864 км экспресс проходит со скоростью 100 км/ч.
Насколько велики успехи Франции в области сверхскоростного движения, говорит тот факт, что именно в этой стране построены наиболее известные скоростные электровозы серии ВВ9200, СС40100, ВВ9400. Пятивагонный поезд с электровозом серии СС40100 развил на испытаниях скорость 220 км/ч, а с электровозом ВВ9291 — 250 км/ч. Франции принадлежит и рекорд скорости. В 1955 г. французские электровозы показали скорость 331 км/ч.
Есть скоростные линии и в ФРГ. Поезд Мюнхен — Аугсбург во время международной выставки в 1966 г. развивал скорость 200 км/ч. Электровоз ЕОЗ для этого поезда тоже очень известен.
Существует любопытный проект создания скоростной сверхмагистрали Мюнхен — Гамбург. Грузовые поезда, движущиеся по ней, должны перевозить грузовые автомобили, чтобы уменьшить их поток на дорогах. Скорость поездов будет составлять 200 км/ч. Для грузовых перевозок это неслыханно. Вот в таких условиях железная дорога реализует свои преимущества над конкурентами. Поезда превосходят автотранспорт по скорости движения, авиацию — по рентабельности (в ближнем сообщении); а обоих — по надежности, безопасности, независимости от погоды.
В Англии скоростное движение по электрифицированной линии Лондон — Бирмингем — Ливерпуль — Манчестер позволило увеличить объем пассажирских перевозок на 66 %.
В Италии проводятся опытные поездки со скоростью до 200–225 км/ч. На линии Милан — Болонья отдельные перегоны поезд проходит со скоростью до 200 км/ч.
Скорость — это не только скорость
По современной терминологии обычным для пассажирских поездов считается движение при скорости до 100 км/ч, скоростным — от 101 до 140, сверхскоростным — от 141 км/ч и выше (для грузовых соответственно до 80 км/ч, от 81 до 100 и от 101 до 120 км/ч).
И высокие, и сверхвысокие скорости могли развивать паровозы, которые строились очень давно. И если бы дело было только в том, с какой быстротой может двигаться локомотив, задача сверхскоростного движения давно бы была решена. Но она значительно глубже и сложнее, и является не столько технической, сколько экономической. Поезд движется по искусственному сооружению — железной дороге. В этом его достоинство — движение не зависит от погоды, как например в авиации. Но в этом же и недостаток. Естественная среда дает возможность самолету перемещаться в огромном диапазоне скоростей. Искусственный путь очень цепко держит поезд в определенных рамках. В чем это выражается?
Тепловозу ТЭ7 с пассажирским поездом весом 800 т потребуется всего 6 мин и участок длиной 13 км, чтобы увеличить скорость от 100 до 140 км/ч. Но на этом перегоне могут встретиться стрелки или кривая небольшого радиуса — и тогда прощай набранная скорость. А это значит, что на старых дорогах, рассчитанных совсем на другие условия движения, удается повышать скорость лишь на перегонах, а на станциях, где много стрелочных переводов, и на кривых скорость придется снижать.
Играют роль и соображения безопасности. Еще в начале нашего века немец Август Шерль, изучавший скоростное движение, писал: «Прохожий не успеет дочитать до конца вывешенное объявление, предупреждающее об опасности, как, сильная струя воздуха от быстро несущегося поезда снесет или отбросит его в сторону». Вот поэтому считается, что по обычным линиям, где ходят и грузовые, и пассажирские поезда, повышать скорость последних можно лишь до 160 км/ч. А движение с еще более высокими скоростями — 200–250 км/ч — можно осуществлять на специально построенных (или выделенных из существующих) дорогах.
Условие это весьма суровое, особенно для нашей страны, где скоростные поезда идут по тем же дорогам, что и грузовые, причем последние весьма интенсивно. Японцы на такое условие пошли: очевидно, для их страны это оправдано, хотя расходы при этом были колоссальны. Капиталовложения в строительство линии Новая Токайдо составили около 955 млн. рублей. Для того, чтобы все пересечения с другими видами транспорта были на разных уровнях, пришлось построить насыпь высотой около 6-7 м, соорудить около 3 тыс. мостов и путепроводов общей длиной 74,8 км, 114 км железобетонных эстакад, 66 тоннелей общим протяжением 67 км.
Такова цена, которую приходится платить за сверхвысокие скорости. Оправдана ли она? Результаты эксплуатации линии Осака — Токио за первые годы говорят о том, что расходы, возможно, удастся окупить в 20 лет. Это большой срок. И нужно ли идти именно по такому пути — строить специальные дороги? Технически эта проблема ясна — о том, когда нужно строить специальные дороги, а когда можно обойтись существующими, говорится в главе и «И путь надо готовить». Остается проблема экономическая. Для разных стран, для разных условий ответ на вопрос «строить или не строить?» может быть различен. Пока перейдем к вопросу о том, каким должен быть подвижной состав для движения с высокими и сверхвысокими скоростями.
Локомотивы и моторвагонные поезда
Высокоскоростное движение предъявляет к конструкции локомотивов весьма серьезные требования. Прежде всего это должны быть очень мощные машины. Для того, чтобы преодолеть одно лишь сопротивление движению при скорости в 225 км/ч, нужна мощность примерно в 3 раза, а при 300 км/ч в 7 раз большая, чем при скорости 160 км/ч. Современные скоростные электровозы и тепловозы являются весьма могучими машинами. Французский электровоз СС40100, который может развивать до 240 км/ч, имеет длительную мощность 3670 квт (5020 л. с.); шесть тяговых двигателей западногерманского электровоза ЕОЗ имеют при 200 км/ч общую часовую мощность 6420 квт, советский двухсекционный тепловоз 2ТЗП60, предназначенный для вождения пассажирских поездов со скоростью 160 км/ч, имеет общую мощность дизелей 6000 л. с. Часовая мощность электровоза ЧС2, который водит пассажирские поезда на отечественных дорогах, составляет 4200 квт (5580 л. с.).
Такие высокие показатели нужны для развития не только больших скоростей, но и больших ускорений. Новая Токайдо, пожалуй, пока что единственный пример дороги, специально построенной для скоростного движения и уже эксплуатирующейся, на остальных скоростное движение приходится сочетать с обычным. Поэтому способность создать большое ускорение тоже очень важна. Электровоз ЕОЗ в течение 10 мин может развить мощность, превышающую 9000 квт, а в течение пятиминутного разгона — даже 12500 квт. С составом в 300 т этот электровоз за 3 мин развивает скорость от нуля до 200 км/ч.
Благодаря чему достигается столь высокая мощность? Различных достижений в области конструирования двигателей много. Одно из наиболее интересных — новый электроизоляционный материал эмаль. Применение эмалированного провода во французских тепловозах при тех же параметрах изоляции снижает ее толщину в 2 раза. Эмаль МЛ выдерживает температуру до 280°, обладает большой упругостью и механической прочностью. Применение ее позволило поднять мощность двигателей электровозов серии СС40100 на 20 %. Специалисты считают, что так как эмаль МЛ позволяет резко уменьшить вес и габариты тяговых двигателей и генератора переменного тока, можно будет создать в недалеком будущем тепловозы мощностью 6000–8000 л. с. в одной секции.
Мощность дизельного двигателя повышается, когда увеличивается скорость вращения коленчатого вала. Быстроходные дизели (до 1500 об/мин для тепловозов) используются сейчас очень широко. Другой путь — применение турбонаддува. Выхлопные тазы вращают вал турбины, которая гонит в цилиндры двигателя избыточный воздух. Благодаря этому увеличивается количество топлива, сжигаемого в камере сгорания, и мощность повышается. Эти методы применялись и до скоростного движения и даже в других областях техники, где используется дизель, но именно здесь они оказались весьма нужными. Для повышения мощности широко используется такой сравнительно простой способ, как соединение нескольких секций, например в тепловозах 2ТЭП60, 2ТЭ40 и др.
Для скоростных локомотивов очень важен минимальный вес неподрессоренных частей, чтобы вертикальные и горизонтальные колебания были как можно меньшими. Этого удалось достичь опять-таки благодаря применению целого ряда конструктивных усовершенствований. Наиболее интересным из них является одномоторная тележка. Она широко используется во французских скоростных локомотивах, причем в целях унификации как для электровозов, так и для тепловозов. В старых конструкциях применялись двухосные тележки, и каждую ось приводил в движение свой двигатель. В скоростном электровозе СС40100 кузов опирается на две трехосные тележки. Каждая из них имеет только один электродвигатель, который через редуктор и зубчатые венцы приводит в действие все три оси. Преимуществ у такой конструкции очень много.
Один мотор весит значительно меньше двух той же мощности. К тому же облегчается рама. Следовательно, одномоторная тележка примерно на 20 % легче многомоторной (для электровоза СС40100 абсолютный выигрыш в весе составил около 11,4 т.).
Масса не рассредоточена, а сконцентрирована в середине тележки. Это снизило ее момент инерции, а в итоге уменьшились боковые колебания и воздействие на путь. Улучшились сцепные качества, потому что вероятность проскальзывания двух или трех связанных вместе осей меньше, чем у осей с индивидуальным приводом. Наконец, редуктор, которым оснащена тележка, позволяет быстро изменять передаточное отношение и таким образом приспосабливать локомотив и к грузовой и к пассажирской работе. Во Франции часты случаи, когда локомотив в одну сторону ведет грузовой, а в другую пассажирский состав.
В одномоторной тележке двигатель благодаря меньшему весу опирается только на раму, а не на оси, как было в старых конструкциях. Вес неподрессоренных частей — резко снижается, а это совершенно необходимое условие для движения со скоростями свыше 120 км/ч.
Очень большое значение имеет конструкция рессорного подвешивания и гасителей колебаний. При колебаниях возникают ускорения, они вызывают силы, вредно действующие на путь и на сам локомотив. Новым в конструкции рессорного подвешивания является то, что листовые рессоры заменяются в новейших локомотивах пружинными, которые обеспечивают подвижность тележек. Это уменьшает толчки при трогании с места, и нагрузка на путь остается в обычных пределах. Для поглощения вертикальных колебаний кузова между ним и тележкой ставят резино-металлические амортизаторы.
Еще один достаточно серьезный вопрос: как снимать с проводов ток? Исследования показали, что чем больше скорость, тем большее давление оказывает токоприемник на провод. Это происходит потому, что увеличиваются аэродинамические и инерционные силы. А иногда по тем же причинам происходит обратное явление: полоз отрывается от провода. Выход из такого положения — делать подвеску провода более гибкой, чтобы она чутко реагировала на все колебания токосъемника, а пантограф более эластичным, пружинящим (на линии Новая Токайдо между проводом и тросом расположены вибрационные гасители колебаний: воздушные цилиндры со спиральной пружиной внутри.
Конечно, создание мощных тепловозов — задача очень важная. Однако все чаще взоры конструкторов обращаются к другому виду транспорта — авиации. Газотурбинный двигатель, изменивший облик авиации, должен спуститься на землю, чтобы занять подобающее место в рельсовом транспорте.
Чем же плох дизель? Во-первых, громоздкостью. У него сложная система охлаждения, сложный механизм передачи. Поэтому количество мест в головном вагоне дизель-поезда составляет всего 55–60 % от количества мест в прицепном вагоне. И чем двигатель мощней, тем больше он «съедает» площади. А газовая турбина значительно меньше по размерам и весу. Турбопоезд, состоящий из такого же количества вагонов, что и дизель-поезд, вместит в 1,15-1,2 раза больше пассажиров.
Эксплуатационники знают, что обслуживание дизельного двигателя — задача очень непростая. На обычную профилактику уходит всего в 2 раза меньше времени, чем на полный его ремонт. Дело в том, что демонтировать дизель, выкатить тележку с ним, подняв предварительно вагон — работа небыстрая. А иначе при многих видах обслуживания нельзя.